선박용 2행정 디젤엔진의 저압축 고팽창 사이클에 관한 연구

Abstract

국제 사회는 사회적, 경제적으로 대두되고 있는 환경오염 문제를 해결하기 위해 관련 산업과 기관을 중심으로 사회 각 분야에서 분주히 움직이고 있다. 선박에서 발생하는 대기 오염 물질을 줄이기 위해 국제해사기구는 다양한 규제를 시행하였으며 질소산화물, 황산화물, 온실가스 배출규제가 대표적이다. 질소산화물 배출 규제를 만족하기 위해 배기가스 재순환 (Exhaust Gas Recirculation, EGR) 기술, 선택적촉매환원 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 기술, 이중연료엔진, 연료 분사 시스템 개선, 밀러 사이클의 적용 등 여러 기술들이 선박의 엔진에 적용되고 있다. 최근 강화되고 있는 온실가스 배출 규제는 2050년까지 선박에서 발생하는 온실가스 총 배출량을 2008년 대비 50% 감축하기 위한 온실가스 배출량 감출 전략에 따라 기존 운항선에 대해 엔진 출력 제한이나 에너지절감장치의 설치를 해결책으로 제시하고 있다. 질소 산화물 저감 기술 중 하나로 알려진 밀러 사이클은 아트킨슨 사이클을 현실화한 것으로, 흡기 밸브의 타이밍을 변경하여 고팽창을 실현한다. 2행정 기관의 경우 별도의 흡입 밸브가 없고 고정된 소기포트를 통해 신선한 공기가 실린더 내부로 유입되기 때문에 배기밸브 닫힘 시기를 지연시켜 유효압축비는 줄이고 팽창비는 유지하여 고팽창을 실현한다. 하지만, 유효압축비의 감소는 평균 유효 압력의 감소를 야기하고 결국 실린더의 출력은 감소한다. 따라서 고과급 시스템이 함께 적용되어야 한다. 본 논문의 목적은 국제해사기구의 환경규제에 대응하고 기관의 성능을 개선시킬 수 있는 방안을 찾기 위함이다. 강화되는 환경 규제를 충족하기 위해 선박의 기관실은 다양한 기기들이 설치되고 있으며, 선박 기관사들의 업무는 가중되어가는 실정이다. 추가적인 설비의 설치 없이 고과급 시스템과 함께 기관의 디자인을 개선하여 얻을 수 있는 효과에 대해 알아보고자 하였다. 특히 2행정 기관에서 고팽창을 실현하고 열효율을 높이기 위해 기존의 연구를 통해 소개된 가변형 소기포트를 적용하여 소기포트의 높이를 낮추고, 배기밸브 열림 시기를 지연시켜 얻을 수 있는 효과에 대해 고찰하였다. 결과적으로 가변형 소기포트를 적용하여 밀러 효과를 극대화시키는 경우 연료 소비율 절감과 이산화탄소 발생량 저감효과를 얻을 수 있는 엔진 부하별 소기포트의 형상과 배기밸브 열림 시기가 있다는 결과를 도출하였다.